Die Geheimnisse der visuellen Navigation

„Nature“-Studie von Forschenden der Freien Universität Berlin und der University of California Santa Barbara zeigt richtungsweisende Erkenntnisse zur visuellen Navigation im Gehirn der Taufliege Drosophila melanogaster.

Ein internationales Forschungsteam der Freien Universität Berlin und der University of California Santa Barbara hat in einer wegweisenden Studie erstmals eine systematische Analyse aller synaptischen Verbindungen im Gehirn eines adulten Tieres durchgeführt. Im Fokus der Untersuchung stand das Connectom – also der Schaltplan des Nervensystems – der Taufliege Drosophila melanogaster. Die in einer Sonderausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Arbeit mit dem Titel „Connectomic reconstruction predicts visual features used for navigation“ beleuchtet insbesondere die neuronalen Netzwerke, die der visuellen Navigation zu Grunde liegen (Link zur Studie https://www.nature.com/articles/s41586-024-07967-z ).

Das Forschungsteam unter Leitung von Professor Mathias Wernet (Freie Universität Berlin) und Professor Sung Soo Kim (University of California, Santa Barbara) konnte zeigen, dass im Gehirn der Taufliege mindestens zehn parallele synaptische Bahnen existieren, die visuelle Informationen auf ihrem Weg zum Zentralgehirn verarbeiten. „Dies stellt einen bemerkenswerten Befund dar, der zeigt, dass selbst das Gehirn eines so kleinen Organismus erstaunlich komplexe visuelle Verarbeitungsmechanismen aufweist“, sagt Mathias Wernet, Professor für Neuronale Netzwerke.

In ihrer Forschungsarbeit hatten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mithilfe elekronenmikroskopischer Daten über 5.000 Nervenzellen der Taufliege Drosophila melanogaster mitsamt ihrer chemischen Synapsen rekonstruiert. Den drei Erstautor*innen, Doktorand Emil Kind aus Berlin und Doktorandin Jennifer Yuet Ha Lai sowie Dustin Garner (beide aus Kalifornien) gelang auf diesem Wege die erste komplette Darstellung aller visueller Eingänge in den Zentralkomplex. Der Zentralkomplex ist eine evolutionär konservierte Struktur im Zentralgehirn von Insekten, die eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Navigationsentscheidungen spielt.

„Die Ergebnisse dieser bahnbrechenden Arbeit ermöglichen Rückschlüsse auf die Natur der verarbeiteten visuellen Reize und die funktionellen Eigenschaften der beteiligten Nervenzellen“, erklärt Mathias Wernet. Dem internationalen Forschungsteam gelang es zudem mithilfe der In-vivo 2-Photonen-Mikroskopie, einige dieser wissenschaftlichen Voraussagen experimentell zu bestätigen.

In der gleichen „Nature“-Sonderausgabe wird die Studie „Connectomic reconstruction predicts visual features used for navigation“ komplettiert durch eine zweite Veröffentlichung, die in Zusammenarbeit mit den Autor*innen Professor Sebastian Seung und Professorin Mala Murthy von der Universität Princeton entstand mit dem Titel „Neuronal parts list and wiring diagram for a visual system“ (https://www.nature.com/articles/s41586-024-07981-1 ). Diese bietet eine tiefergehende Analyse der neuronalen Bauteile und Verschaltungsmuster des visuellen Systems der Tauffliege.

Die Erkenntnisse aus beiden Studien stellen eine entscheidende Grundlage für künftige Forschungen dar. „In der Zukunft dienen diese connectomischen Daten als wichtiges Fundament für die Planung und Interpretation von physiologischen Arbeiten oder Verhaltensexperimenten mit dem Ziel, Navigationsentscheidungen besser zu verstehen“, sagt Mathias Wernet.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Mathias Wernet, Freie Universität Berlin, Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie, E-Mail: mathias.wernet@fu-berlin.de

Weitere Informationen:

Die „Nature“-Studie „Connectomic reconstruction predicts visual features used for navigation“ ist abrufbar unter: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07967-z

Die “Nature”-Studie: „Neuronal parts list and wiring diagram for a visual system“ ist abrufbar unter: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07981-1

https://www.fu-berlin.de/presse/informationen/fup/2024/fup_24_189-nature-connectom-visuelle-navigation/index.html